核磁共振波譜儀的發(fā)展現(xiàn)狀

核磁共振波譜儀的發(fā)展現(xiàn)狀本文主要介紹了核磁共振波譜儀的工作原理，基本結(jié)構(gòu)，著重介紹了連續(xù)波核磁共振波譜儀和脈沖傅里葉核磁共振譜儀的結(jié)構(gòu)和工作原理及其優(yōu)缺點(diǎn)。文章最后介紹了幾種核磁波譜儀的實(shí)例，并對(duì)今后核磁波譜儀的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了展望。關(guān)鍵詞：核磁共振波譜儀發(fā)展概述20世紀(jì)后半葉，NMR技術(shù)和儀器發(fā)展十分快速，從永磁到超導(dǎo)，從60MHz到800MHz的NMR譜儀磁體的磁場(chǎng)差不多每五年提高一點(diǎn)五倍，這是被NMR在有機(jī)結(jié)構(gòu)分析和醫(yī)療診斷上特有功能所促進(jìn)的。現(xiàn)在有機(jī)化學(xué)研究中NMR已經(jīng)成為分析常規(guī)測(cè)試手段，同樣，在醫(yī)療上MRI（核磁共振成像儀器）亦成為某些疾病的診斷手段。1953年：美國(guó)Varian公司---第一臺(tái)NMR譜儀（30MHZ）1964年：美國(guó)Varian公司---第一臺(tái)超導(dǎo)NMR譜儀（200MHZ）1971年:日本JEOL公司---第一臺(tái)超導(dǎo)傅立葉變換NMR譜儀（計(jì)算機(jī)用于NMR譜儀，使NMR技術(shù)有了質(zhì)的飛躍發(fā)展。核磁共振波譜儀的類(lèi)型實(shí)現(xiàn)核磁共振可用兩種方法：固定磁場(chǎng)B0,改變射頻的頻率產(chǎn)生核磁共振，稱(chēng)為掃頻法；固定射頻的頻率，改變磁場(chǎng)B0產(chǎn)生核磁共振，稱(chēng)為掃場(chǎng)法。按工作方式，可將高分辨率核磁振儀分為兩種類(lèi)型：連續(xù)波核磁共振譜儀和脈沖傅里葉核磁共振譜儀。（一）.連續(xù)波核磁共振譜儀圖1連續(xù)波核磁共振譜儀示意圖連續(xù)波(CW)是指射頻的頻率和外磁場(chǎng)的強(qiáng)度是連續(xù)變化的，即進(jìn)行連續(xù)掃描，直至到被觀測(cè)的核依次被激發(fā)產(chǎn)生核磁共振。連續(xù)波核磁共振譜儀主要由下列主要部件組成：①磁鐵，②探頭，③射頻和音頻發(fā)射單元，④頻率和磁場(chǎng)掃描單元，⑤信號(hào)放大、接受和顯示單元。后三個(gè)部件裝在波譜儀內(nèi)。通常是用電磁鐵和永久磁鐵產(chǎn)生均勻而穩(wěn)定的磁場(chǎng)B0。在兩磁極之間安裝一個(gè)探頭，探頭中央插入試樣管。試樣管在壓縮空氣的推動(dòng)下，勻速而平穩(wěn)地回旋。射頻振蕩器線(xiàn)圈安裝在探頭中，產(chǎn)生一定頻率的射頻輻射以激發(fā)核。它所產(chǎn)生的射頻場(chǎng)須與磁場(chǎng)方向垂直。射頻接收線(xiàn)圈也安裝在探頭中，以來(lái)探測(cè)核磁共振時(shí)的吸收信號(hào)。另有一組掃描線(xiàn)圈安裝在磁鐵兩極上，以達(dá)到掃場(chǎng)操作的目的。通過(guò)掃描發(fā)生器線(xiàn)圈在B0方向疊加一個(gè)小的掃描磁場(chǎng)B'0，調(diào)節(jié)B'0的大小，以便使總的外磁場(chǎng)(B0+B'0)可在有限范圍內(nèi)變化，當(dāng)1H核產(chǎn)生的回旋頻率對(duì)于射頻頻率時(shí)，核吸收射頻能量產(chǎn)生核磁共振。從射頻接收器過(guò)來(lái)的核磁共振信號(hào)和掃場(chǎng)的磁場(chǎng)強(qiáng)度同時(shí)送到記錄儀，即可得到核磁共振波譜圖，縱坐標(biāo)為信號(hào)強(qiáng)度，橫坐標(biāo)為磁場(chǎng)強(qiáng)度B或化學(xué)位移。磁鐵磁鐵是核磁共振儀最基本的組成部件。它要求磁鐵能提供強(qiáng)而穩(wěn)定、均勻的磁場(chǎng)。核磁共振儀使用的磁鐵有三種：永久磁鐵，電磁鐵和超導(dǎo)磁鐵。由永久磁鐵和電磁鐵獲得的磁場(chǎng)一般不能超過(guò)2.5T。而超導(dǎo)磁體可使磁場(chǎng)高達(dá)10T以上，并且磁場(chǎng)穩(wěn)定、均勻。目前超導(dǎo)核磁共振儀一般在200~400MHz，最高可打600MHz。但超導(dǎo)核磁共振儀價(jià)格高昂，目前使用還不十分普遍。探頭探頭裝在磁極間隙內(nèi)，用來(lái)檢測(cè)核磁共振信號(hào)，是儀器的心臟部分。探頭除包括試樣管外，還有發(fā)射線(xiàn)圈接受線(xiàn)圈以及豫放大器等元件。待測(cè)試樣放在試樣管內(nèi)，再置于繞有接受線(xiàn)圈和發(fā)射線(xiàn)圈的套管內(nèi)。磁場(chǎng)和頻率源通過(guò)探頭作用于試樣。為了使磁場(chǎng)的不均勻性產(chǎn)生的影響平均化，試樣探頭還裝有一個(gè)氣動(dòng)渦輪機(jī)，以使試樣管能沿其縱軸以每分鐘幾百轉(zhuǎn)的速度旋轉(zhuǎn)。波譜儀射頻源和音頻調(diào)制高分辨波譜儀要求有穩(wěn)定的射頻頻率和功能。為此，儀器通常采用恒溫下的石英晶體振蕩器得到基頻，再經(jīng)過(guò)倍頻、調(diào)頻和功能放大得到所需要的射頻信號(hào)源。為了提高基線(xiàn)的穩(wěn)定性和磁場(chǎng)鎖定能力，必須用音頻調(diào)制磁場(chǎng)。為此，從石英晶體振蕩器中的得到音頻調(diào)制信號(hào)，經(jīng)功率放大后輸入到探頭調(diào)制線(xiàn)圈。掃描單元核磁共振儀的掃描方式方式有兩種：一種是保持頻率恒定，線(xiàn)形地改變磁場(chǎng)，稱(chēng)為掃場(chǎng)；另一種是保持磁場(chǎng)恒定，線(xiàn)形地改變頻率，稱(chēng)為掃頻。許多儀器同時(shí)具有這兩種掃描方式。掃描速度的大小會(huì)影響信號(hào)峰的顯示。速度太慢，不僅增加了實(shí)驗(yàn)時(shí)間，而且信號(hào)容易飽和;相反，掃描速度太快，會(huì)造成峰形變寬，分辨率降低。接受單元從探頭預(yù)放大器得到的載有核磁共振信號(hào)的射頻輸出，經(jīng)一系列檢波、放大后，顯示在示波器和記錄儀上，得到核磁共振譜。信號(hào)累加若將試樣重復(fù)掃描數(shù)次，并使各點(diǎn)信號(hào)在計(jì)算機(jī)中進(jìn)行累加，則可提高連續(xù)波核磁共振儀的靈敏度。當(dāng)掃描次數(shù)為N時(shí)，則信號(hào)強(qiáng)度正比于N,而噪音強(qiáng)度正比于，因此，信噪比擴(kuò)大了倍?？紤]儀器難以在過(guò)長(zhǎng)的掃描時(shí)間內(nèi)穩(wěn)定，一般N=100左右為宜。CW-NMR儀的有很多優(yōu)點(diǎn)，適用于大磁矩、自旋1=1/2和高天然豐度的核的波譜測(cè)定。這些核稱(chēng)為靈敏核素，例如1H、19F和31P遺憾的是，13C和15N均不屬于此類(lèi)核。二、脈沖傅里葉核磁共振譜儀（PFT-NMR）連續(xù)波核磁共振儀通過(guò)掃頻或掃場(chǎng)的方法，找到共振吸收，獲得NMR譜。這種工作方式效率低。為了解決這一問(wèn)題，目前采用脈沖傅里葉變換核磁共振儀（圖2）。在PFT-NMR中，采用恒定磁場(chǎng)，用一定頻率寬度的射頻強(qiáng)脈沖輻照試樣，激發(fā)全部欲觀測(cè)的核，得到全部共振信號(hào)。當(dāng)脈沖發(fā)射時(shí)，試樣中每種核都對(duì)脈沖中單個(gè)頻率產(chǎn)生吸收.接收器得到自由感應(yīng)衰減信號(hào)（FID）,這種信號(hào)是復(fù)雜的干涉波，產(chǎn)生于核激發(fā)態(tài)的弛豫過(guò)程。FID信號(hào)是時(shí)間的函數(shù)，經(jīng)濾波、轉(zhuǎn)換數(shù)字化后被計(jì)算機(jī)采集，再由計(jì)算機(jī)進(jìn)行傅里葉變換轉(zhuǎn)變成頻率的函數(shù)，最后經(jīng)過(guò)數(shù)/模轉(zhuǎn)換器變成模擬量，顯示到屏幕上或記錄在記錄紙上，得到通常的NMR譜圖。圖2脈沖傅里葉變換核磁共振儀連續(xù)波核磁共振譜儀采用的是單頻發(fā)射和就手方式，在某一時(shí)刻內(nèi)，只能記錄譜圖中的很窄一部分信號(hào)，即單位時(shí)間內(nèi)獲得的信息很少。在這種情況下，對(duì)那些核磁共振信號(hào)很弱的核，即使采用累加技術(shù)，也得不到良好的效果。為了提高單位時(shí)間的信息量，可采用多道發(fā)射機(jī)同時(shí)發(fā)射多種頻率，使處于不同化學(xué)環(huán)境的核同時(shí)頻率，再采用多道接受裝置同時(shí)得到所有的共振信息。例如，在100MHz共振儀中，質(zhì)子共振信號(hào)化學(xué)位移范圍為10時(shí)，相當(dāng)于1000Hz；若掃描速度為2Hz-1,則連續(xù)波核磁共振儀需500才能掃完全譜。而在具有1000個(gè)頻率間隔1Hz的發(fā)射機(jī)和接受機(jī)同時(shí)工作時(shí)，只要1即可掃完全譜。顯然，后者可大大提高分析速度和靈敏度。傅里葉變換NMR譜儀是以適當(dāng)寬度的射頻脈沖作為“多道發(fā)射機(jī)”，使所選的核同時(shí)激發(fā)，得到核的多條譜線(xiàn)混合的自由感應(yīng)衰減(freeinductiondecay,FID)信號(hào)的疊加信息，即時(shí)間域函數(shù)，然后以快速傅里葉變換作為“多道接受機(jī)”變換出各條譜線(xiàn)在頻率中的位置及其強(qiáng)度。這就是脈沖傅里葉核磁共振儀的基本原理。傅里葉變換核磁共振儀測(cè)定速度快，除可進(jìn)行核的動(dòng)態(tài)過(guò)程、瞬變過(guò)程、反應(yīng)動(dòng)力學(xué)等方面的研究外，還易于實(shí)現(xiàn)累加技術(shù)。因此，從共振信號(hào)強(qiáng)的到共振信號(hào)弱的核，均能測(cè)定。世界上主要的核磁共振譜儀生產(chǎn)商有德國(guó)的Bruker公司和美國(guó)的Varian公司，兩公司各有所長(zhǎng)。核磁共振儀器實(shí)例介紹世界上主要的核磁共振譜儀生產(chǎn)商有德國(guó)的Bruker公司和美國(guó)的Varian公司，兩公司各有所長(zhǎng)。圖3Acend核磁共振譜儀及得到的1HNMR譜圖采用先進(jìn)的超導(dǎo)技術(shù)，最高頻率達(dá)700-850MHz，具有先進(jìn)的磁場(chǎng)穩(wěn)定功能。圖4Fourier300核磁共振譜儀具有結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、重量輕、分辨率優(yōu)等特點(diǎn)。適合于化學(xué)教育與研究領(lǐng)域。圖5SmartProbe核磁共振譜儀具有靈活、通用、靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)?？蛇M(jìn)行寬頻掃描，不僅適用于氫譜，同時(shí)也適用于其他磁核分析如15N、19F等。圖6SampleMail核磁共振譜儀具有樣品裝取方便的優(yōu)點(diǎn)，適用于1-10mm各種直徑的核磁樣品管，測(cè)試過(guò)程快捷、安全。圖7Avance1000核磁儀世界第一臺(tái)采用永久超導(dǎo)磁場(chǎng)技術(shù)的頻率高達(dá)1000MHz核磁共振譜儀，于2022年1月在法國(guó)里昂安裝成功。圖8Solid-StateDNP-NMRSpectrometer263GHzAVANCEIII世界第一臺(tái)商品級(jí)高分辨率固態(tài)核磁譜儀，尤其適合生物分子分析。圖9Sample某preTM核磁共振儀Sample某preTM是布魯克公司最新產(chǎn)品之一?？梢圆捎酶鞣N長(zhǎng)度的樣品管(100-190mm)，其最高頻率達(dá)800M。NMR在21世紀(jì)的發(fā)展動(dòng)向?yàn)橐韵聨讉€(gè)方面1提高磁體的磁場(chǎng)強(qiáng)度預(yù)期21世紀(jì)將會(huì)出現(xiàn)大于1000MHz的NMR譜儀，這將使生物大分子的結(jié)構(gòu)研究有重大突破。2.發(fā)展三維核磁共振技術(shù)(3D-NMR)隨著NMR譜在生物大分子結(jié)構(gòu)分析中的應(yīng)用，NMR技術(shù)所提